寻找太阳系外宜居行星,我们有了新线索

2019-11-21 06:45:11


  图中的带状区域为恒星的宜居带,只有位于宜居带内的固态行星才拥有合适的表面温度,使得液态水可以长期存在,并支持类地球生命的存在。  对于类太阳恒星,宜居带位于1个天文单位附近(地球的位置),对于红矮星(其辐射强度比太阳低得多),宜居带位于大约0.1个天文单位附近。海洋热量输送的气候效应将使得该宜居带变窄,也就是说,如果超级地球类的宜居行星确实是海洋世界,那么只有当这些行星位于较狭窄的宜居带范围内,它们才是宜居的,因为如果它们离恒星太近,海洋热量输送将使得行星很容易进入温室逃逸状态,如果太远,则很容易进入冰封状态,均不适宜生命存在。换句话说,海洋的气候效应将导致找到宜居行星的几率将比以前估计的要低一些。  Gliese 581是一颗红矮恒星,Gliese 581g 为此项研究的对象,这一研究结论也适合其他类似行星。  地球生命是否是唯一的?太阳系外是否存在适宜生命存在的星球?一直以来,人类不停地在探寻着这些问题的确切答案。  虽然到目前为止,太阳系除地球之外,还没有在其他行星发现有生命存在的迹象。但人类却从没有停下寻找的脚步。自1995年第一颗太阳系外行星被发现,到2013年12月20日,已有1056颗系外行星被确认,其中12颗被认为是有可能适宜生命存在的。  这些行星上的气候、环境如何?它们的变化受哪些因素影响?关于这些问题,目前科学家们有了新的发现。透过这些发现,或许能够使我们在寻找地球“同伴”道路上向前再迈进一步。  核心阅读  海洋热量输送能够改变宜居行星气候  2013年12月30日,美国科学院院刊发表了北大物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研究生杨军博士关于太阳系外行星适宜生命存在的研究成果。  这篇题目为“The role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”(海洋在决定红矮星附近宜居行星气候状态中的作用)的论文中,作者指出,海洋热量输送将能够有效地改变围绕红矮星恒星运行的宜居行星的气候环境,并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。  “之前没有人考虑过海洋及其海洋热量输送对宜居行星气候的影响,我们是第一个研究这一问题的。”胡永云在接受科技日报记者采访时表示,海洋作为一种流体,其流动带来的热量输送对气候环境的影响非常重要。  目前一般认为,行星的质量越大其含水量也越多,而且由于质量较大的行星重力作用也大,其表面山峰较低,所以这类行星的表面很可能被海洋覆盖,没有陆地或仅有一些小岛。胡永云的研究结果显示,在“一片汪洋”的行星上,不仅海洋热量输送会影响行星气候,海洋运动还带来海冰的运动,他认为,海冰对恒星辐射的反照率较高,能够有效地改变行星接收恒星的辐射能量,从而改变行星的宜居性和气候环境。  这项研究的目标选中的是红矮星附近的宜居行星,这类行星距离红矮星较近,由于强烈的引力所用,行星很可能是潮汐锁相的,也就是行星的一面永远面对恒星,而另一面永远背对恒星。胡永云表示,对于潮汐锁相行星来说,我们关心的热量输送主要是自朝阳面向背阳面的。他指出,在温室气体的作用下,这种热量输送的作用会更明显,从而改变背阳面的宜居条件。  关键词解析  宜居行星:宇宙中的超级地球  宜居行星,顾名思义是指适宜类地球生命存在的行星。这类行星不能太大也不能太小,其质量需大于地球质量的五分之一,但小于地球质量的10倍。胡永云解释,质量太小,不足于吸引气体分子,没有大气层;质量太大的话,一般是类似海王星、木星等的气态星球,也不适宜生命存在。  对于宜居行星的另一个条件限制是表面温  度,这里也有一个区间,大于0摄氏度小于70摄氏度。胡永云说,表面温度小于0摄氏度,行星会完全结冰,没有液态水,例如太阳系的火星;大于70摄氏度,行星进入温室逃逸状态,液态水完全蒸发进入大气层并被光解,使氢原子逃逸到太空,例如太阳系的金星。这两种状态都不适宜生命存在,所以宜居行星的表面温度要处在0摄氏度到70摄氏度这个区间中。上图所示的蓝色带状区域大致是由这一温度范围确定的。  目前所发现的12颗可能的宜居行星大致满足这两个条件。胡永云介绍,但估计其质量都比地球质量大,所以被称为超级地球。由于目前的天文观测技术无法很好地确定行星的质量,也无法确定其大气成分,是否有海洋存在,因此,我们还无法完全确认它们是否是宜居的。  潮汐相锁:白天不懂夜的黑  “我们的研究主要集中在红矮星附近的宜居行星。”胡永云告诉科技日报记者,这主要是因为红矮星大约占宇宙总恒星数量的80%,是数量最多的一类恒星,而且该类恒星的辐射温度为3500K左右,远低于太阳的辐射温度6000 K,其宜居行星距离红矮星较近,易于被探测到。因此,人类很可能首先在红矮星附近发现适宜生命存在的行星。  由于围绕红矮星运行的宜居行星距离母星较近,这就带来了另一个问题——潮汐相锁。胡永云解释说,恒星与行星之间的引力较大,行星很可能是潮汐锁相的,也就是行星的一面永远面对恒星,为白天,而另一面永远背对恒星,为黑夜。他举例说,就如同月球被地球潮汐相锁,我们永远只能看到月球的一面,而看不到其另外一面。这一行星与其恒星之间特殊的运行方式势必造成行星的朝阳面和背阳面之间的加热不均匀。  由此产生的一个严重的问题是,尽管该类行星的朝阳面温度适于液态水存在,但其背阳面由于得不到恒星辐射而太寒冷,以至于所有的大气和水分都被冻结在背阳面,从而不适宜生命存在。  海洋热量输送:用我的热度温暖你  海洋是一种流体,其流动可以把热量从行星较热的地方到较冷的地方,这就被称为海洋热量输送。胡永云解释,以地球为例,海洋和大气一起把热带的热量输送到两极地区,使得热带不至于太热,而两极地区不至于太冷。在地球上,海洋向两极地区的热量输送与大气的热量输送作用相当,都很重要。他指出,对于潮汐锁相行星来说,我们关心的热量输送主要是自朝阳面向背阳面的热量输送。  从研究中建立的模型来看,潮汐相锁的行星上,如果在海洋静止的情况下,朝阳面只有部分区域有液态水存在,其他均为海冰覆盖,即使温室气体二氧化碳的浓度从355 ppmv (ppmv代表每百万体积单位中CO2的体积含量,相当于现在地球大气中的CO2含量)增加到0.2个大气压,开放海洋区域也没有增加太多,背阳面地表温度仍然在零下60摄氏度以下。  但如果考虑动力海洋的作用,背阳面温度显著增加,开放海域则可以一直延伸到背阳面。当二氧化碳浓度增加到0.2个大气压时,行星表面海冰全部融化,温度高于0摄氏度。这说明海洋环流和热量输送能够极大地改变宜居行星的气候环境和气候模态的空间分布。  研究者说  为识别系外宜居行星提供新的线索  在胡永云看来,研究海洋的气候效应是认识宜居行星气候状态非常重要的一步,他们的结果对认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测宜居行星有着极为重要的意义。  虽然目前的天文探测技术还很难捕捉遥远的宜居行星上不同的气候状态及其空间模态分布,但胡永云相信,随着探测技术的发展,在不久的将来我们还是很有希望分辨出这些气候模态的空间分布,并根据这些不同的气候空间模态来识别系外宜居行星。  延伸阅读  漫画家笔下那些潜在的“我们的邻居”  系外行星调查目前已经进入了规模化发现阶段,前不久美国宇航局披露了最新的数百颗系外行星,但是其中并没有发现可宜居的行星,近日美国网络漫画人士兰德尔·门罗绘制了太阳系周围天体系统系外行星图表,他将现有的数据通过可视化的途径表达出来,可以很直观地看出潜在宜居行星的大小和数量。他的图表表明,在60光年的宇宙空间内可能存在超过2000颗的潜在可居住系外行星。  本项研究结果刊登在美国国家科学院学报上,数据分析结果也是基于开普勒系外行星探测器的观测数据库,隶属于美国宇航局的开普勒望远镜在轨运行4年间每隔30分钟对15万颗恒星进行观测,通过微小的亮等变化发现系外行星世界,科学家发现大约22%类太阳恒星周围的可居住带上存在适合生命演化的行星。